基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)研究

吳杰

摘要：針對(duì)生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)不能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，導(dǎo)致產(chǎn)品分揀時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)。系統(tǒng)選取西門子S7-300作為PLC控制核心，在電路中加入繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)接保護(hù)，控制柜通過(guò)電纜與工作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連接，采集管理工作信號(hào)。使用MCGS組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析，在交互窗口中添加驅(qū)動(dòng)程序建立多客戶機(jī)項(xiàng)目，基于PLC控制設(shè)計(jì)生產(chǎn)線分揀單元，自動(dòng)識(shí)別和判斷PLC信號(hào)，完成基于實(shí)時(shí)采集信息的自動(dòng)化分揀。測(cè)試結(jié)果表明，基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)能夠有效縮短抓取產(chǎn)品的移動(dòng)時(shí)間和分揀操作時(shí)間，提高生產(chǎn)線工作效率。

關(guān)鍵詞：PLC控制;生產(chǎn)線;自動(dòng)化;分揀系統(tǒng);控制過(guò)程;自動(dòng)分揀;

中圖分類號(hào)： TH165文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

自動(dòng)化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中，推動(dòng)工業(yè)活動(dòng)和物質(zhì)文明不斷前進(jìn)。生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)是自動(dòng)化技術(shù)在流水操作線上的主要應(yīng)用，產(chǎn)品分揀出后被運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢?，大大降低了傳統(tǒng)工業(yè)制造業(yè)的人力和物力消耗[1]。通過(guò)快速高效的自動(dòng)分揀控制，實(shí)現(xiàn)同性質(zhì)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)制造。通過(guò)工段組合和自動(dòng)線長(zhǎng)短變換，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品形式的多樣化生產(chǎn)，進(jìn)而提升工業(yè)加工自動(dòng)線的生產(chǎn)效益。PLC控制技術(shù)是自動(dòng)分揀系統(tǒng)的重要組成部分，PLC作為控制核心，提高了產(chǎn)品分揀效率，并且在一定程度上能夠降低生產(chǎn)成本。PLC控制使生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)能夠獨(dú)立完成產(chǎn)品的分揀和處理等操作。因此，本文基于PLC控制設(shè)計(jì)一種生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)化工企業(yè)生產(chǎn)效率，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有一定實(shí)踐意義。

1? 基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)硬件部分由檢測(cè)單元、PLC控制單元、驅(qū)動(dòng)單元和電機(jī)設(shè)備等構(gòu)成，具體硬件設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

PLC控制單元是分揀操作的主控單元，由于其功能十分強(qiáng)大，因此選擇合理的型號(hào)對(duì)于系統(tǒng)硬件性能來(lái)說(shuō)十分重要[2]。綜合考慮自動(dòng)化控制的邏輯計(jì)算要求和存儲(chǔ)器的最大容量標(biāo)準(zhǔn)之后，本次系統(tǒng)選取西門子S7-300作為PLC控制核心。S7-300具有強(qiáng)編程模塊化能力，并且通訊和運(yùn)算速度快，更容易實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)和上位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。各PLC控制單元獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)CC-Link實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)通信。S7-300能夠?qū)崿F(xiàn)A/D快速轉(zhuǎn)換，利用多個(gè)PLC 相連成網(wǎng)絡(luò)完成編程工作，滿足本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的化工行業(yè)控制要求。為保護(hù)PLC控制單元的直流電輸出，在電路中的輸出部分加入繼電器進(jìn)行轉(zhuǎn)接保護(hù)。同時(shí)接入指示燈與PLC輸入公共端相連，為系統(tǒng)提供控制指示的作用。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)和分揀機(jī)械手等，各機(jī)械設(shè)備通過(guò)加緊、擺動(dòng)和提升等操作，控制電磁閥工作，完成產(chǎn)品物件的放行和傳送工作。控制柜的電纜與工作現(xiàn)場(chǎng)相連接，識(shí)別和反饋現(xiàn)場(chǎng)工作信號(hào)，利用停止、復(fù)位和啟動(dòng)等按鈕完成開關(guān)啟動(dòng)連接等轉(zhuǎn)換。

2基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備與操作人員之間良好的人機(jī)交互，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用組態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析，選擇的組態(tài)軟件為MCGS。該組態(tài)軟件具有瀏覽器功能，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)線的可視化管理，有利于對(duì)自動(dòng)化分揀系統(tǒng)進(jìn)行整體調(diào)度。在MCGS組態(tài)中，設(shè)備窗口負(fù)責(zé)建立與硬件設(shè)備的連接，以此讀取工作的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在組態(tài)窗口中可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)和停止等處理。組態(tài)規(guī)則制定出項(xiàng)目結(jié)構(gòu)化工作需求，通過(guò)監(jiān)測(cè)機(jī)械設(shè)備和電機(jī)運(yùn)行情況將產(chǎn)品動(dòng)態(tài)傳輸至系統(tǒng)的瀏覽界面。在MCGS組態(tài)中添加驅(qū)動(dòng)程序，與PLC控制單元相連接，選擇建立多客戶機(jī)項(xiàng)目。MCGS組態(tài)激活后，頁(yè)面顯示檢測(cè)和分揀單元，可以根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，提高項(xiàng)目的透明度。

2.2基于PLC控制設(shè)計(jì)生產(chǎn)線分揀單元

根據(jù)供料單元或者加工單元輸送來(lái)的化工產(chǎn)品物料或工件，生產(chǎn)線分揀單元進(jìn)行分揀操作。分揀的主要原理是依靠傳感器檢測(cè)信號(hào)，將其發(fā)送至PLC控制單元，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的反饋信號(hào)。PLC控制單元對(duì)變頻器發(fā)送指令后，驅(qū)動(dòng)單元控制機(jī)械手完成制定區(qū)域工件的分揀，并繼續(xù)向下傳輸[3]。傳感器主要識(shí)別工件的顏色， PLC控制單元通過(guò)物理量的強(qiáng)弱存儲(chǔ)工件信息。工件信息可通過(guò)連續(xù)的函數(shù)進(jìn)行描述：

式（1）中，表示工件信息;表示連續(xù)函數(shù);和分別表示物理量的強(qiáng)弱。在二維坐標(biāo)系統(tǒng)，工件信息可進(jìn)一步使用數(shù)組進(jìn)行描述，如下所示：

式（2）中，表示位置;表示屬性。因此，工件信息可以視為離線采樣集合。在驅(qū)動(dòng)單元前端位置還安裝了感應(yīng)開關(guān)，可以自動(dòng)判斷PLC信號(hào)。推料氣缸接收到信號(hào)后起動(dòng)，機(jī)械手通過(guò)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度和速度將工件傳送到指定位置，完成生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀。

3系統(tǒng)測(cè)試

在正式投入到化工產(chǎn)品生產(chǎn)前，需要進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試和性能測(cè)試。經(jīng)調(diào)試，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)機(jī)操作，檢測(cè)到傳送帶上的產(chǎn)品物件后，自動(dòng)化生產(chǎn)線能夠按照設(shè)計(jì)指令完成分揀、傳送和倉(cāng)儲(chǔ)等任務(wù)流程。本次測(cè)試選取分揀時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的分揀時(shí)間與基于機(jī)器視覺(jué)和基于深度學(xué)習(xí)的分揀系統(tǒng)的分揀時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。分揀時(shí)間由抓取化工產(chǎn)品的機(jī)械手移動(dòng)時(shí)間和分揀單元機(jī)械手操作時(shí)間組成，系統(tǒng)測(cè)試的對(duì)比結(jié)果如表1和表2所示。

根據(jù)表1的對(duì)比結(jié)果，基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的抓取移動(dòng)時(shí)間為5.47s，比基于機(jī)器視覺(jué)和基于深度學(xué)習(xí)的分揀系統(tǒng)分別縮短了3.64s和4.45s。

根據(jù)表2的對(duì)比結(jié)果，基于PLC控制的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)的分揀操作時(shí)間為15.78s，比基于機(jī)器視覺(jué)和基于深度學(xué)習(xí)的分揀系統(tǒng)分別縮短了4.13s和5.29s。證明此次設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)能夠有效縮短工作時(shí)間，提高化工產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

4結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全盤自動(dòng)化，需要科學(xué)技術(shù)手段將流水操作線升級(jí)為更高效率的生產(chǎn)線。本文基于PLC控制設(shè)計(jì)一種生產(chǎn)線自動(dòng)化分揀系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效縮短抓取產(chǎn)品的移動(dòng)時(shí)間和分揀操作時(shí)間，提高自動(dòng)化生產(chǎn)線效率。但本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在定位控制方面還有待提高，未來(lái)研究可以引入定位模塊提高系統(tǒng)的自由度，完成分類定制任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

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